重力驱动颗粒流在复杂地表上的侵蚀和堆积特性研究

Gravity-driven granular flow occurs in diverse fields，such as geophysical debris flow, rock collapse, snow avalanches, grain transport in agriculture, and pharmaceutical industry, etc. Understanding and estimating the process of granular motion is of great importance in preventing the disasters and protecting the infrastructures. Based on some simple, controllable experimental apparatus, this project is planning to carry out some quantitative researches on erosion-deposition features of a gravity-driven granular flow over a complex erodible surface for different supply conditions based on experiment and numerical simulation. On one side, we focus on the eroding, entraining and depositing processes of a granular column collapse over an erodible surface (including different morphologies and erosion properties of the bed) under the action of gravity. Furthermore, we plan to explore the erosion and flowing features of the inclined granular flow over an erodible surface from the limited to continuous supply conditions. The development of these basic research works, on the one hand, it is expected to deeply understand the flowing characteristics of gravity-driven particle flow on the surface of erodible bed, and reveal its mechanism of erosion on the surface. On the other hand, it is expected to set up some scaling laws describing main characteristics and corresponding deposit features of particle flow over an erosion surface flow, and present some theoretical basis for the prediction and evaluation of geological disasters with above similar flow characteristics in nature.

重力驱动颗粒流在自然界随处可见，这种复杂的流动通常会与地表发生相互作用，同时伴随侵蚀、挟带和沉积等复杂阶段，这其中蕴含的基本物理过程以及侵蚀和流动行为的定量化描述是一个重要的基础性问题。通过设计简单可控的小尺度颗粒流实验，本项目拟对重力驱动的颗粒流在复杂地表上的侵蚀和堆积特征开展一系列定量研究。一方面通过颗粒柱体坍塌后在不同地表上(包括不同地表形态和可侵蚀性)的流动来研究重力驱动颗粒流在有限供给情形下的侵蚀和沉积过程。同时，通过斜面颗粒流在可侵蚀层上的流动来研究从有限到连续供给情形下侵蚀效应对斜面颗粒流流动特征的影响规律。这些基础性研究工作的开展，一方面有望从物理本质上深入理解重力驱动颗粒流在可侵蚀地表上的流动特征，揭示其对地表的侵蚀机制。另一方面，希望能建立一些能表征颗粒流在可侵蚀面上流动和堆积特征的标度律，进而为本质上具有类似流动特征的地质灾害的预测和评估提供理论依据。

重力驱动下的离散介质流动过程在自然界随处可见，这些地球物理中的大尺度质量流通常会对环境、经济和人类的安全带来巨大危害，属于典型的地质灾害过程，如何对这些复杂灾害过程进行准确预测具有重要的科学意义和工程应用背景。本项目基于设计的简单可控小尺度颗粒流实验，对重力驱动的颗粒流在复杂地表上的侵蚀和堆积特征开展一系列定量研究。首先，搭建了颗粒柱体在水平可侵蚀基底上坍塌流动的实验装置并发展了相应的离散元数值模型，系统研究了坍塌颗粒在可侵蚀基底上的侵蚀和堆积过程，发现了不同的侵蚀-堆积模式，揭示了其发生的微观机制并给出了不同模式相互转变对应的系统临界参数，建立了考虑侵蚀效应的、能描述坍塌颗粒对地表的侵蚀几何及堆积形态的广义标度律。其次，自主设计和搭建了初始构型和流动状态精确可控的斜面颗粒流实验平台，并发展了一套适用于颗粒流的高速图像同步测量系统。通过在斜面底部设置水平基底，构建了双线性路径的颗粒坍塌流动构型，研究了不同初始状态的斜面颗粒流在水平底面上的扩展和堆积过程；同时基于离散元方法，研究了非凸型颗粒沿粗糙斜面的动力学行为，建立了描述其稳态流动的统一流变模型。再次，通过在倾斜槽道内设置刚性挡板，系统研究了不同来流状态下斜面颗粒流与流向内有限宽度挡板之间的相互作用过程，探究了不同状态的斜面颗粒流在挡板前的起跳和堆积特性，给出了受挡板作用后颗粒流动状态的相图。最后，基于深度平均理论，建立了颗粒流在有限宽度挡板上游堆积后反向传播的激波运动模型，以实现对颗粒流的扩散反向传播和扩散稳定跳跃状态进行准确描述和有效预测。这些基础性研究工作的开展，不仅可以从物理本质上深入理解重力驱动颗粒流在可侵蚀地表上的流动特征，并揭示其对地表的侵蚀机制，同时也建立了考虑侵蚀效应的、能表征颗粒流在可侵蚀地表上流动和堆积特征的标度律，这些结果可以为本质上具有类似流动特征的地质灾害的预测和评估提供理论依据和分析方法。